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Constantes de estabilidad de complejos


Una constante de estabilidad ( constante de formación, constante de unión) es una constante de equilibrio para la formación de un complejo en solución. Es una medida de la fuerza de la interacción entre los reactivos que se unen para formar el complejo. Hay dos tipos principales de complejos: compuestos formados por la interacción de un ión metálico con un ligando y complejos supramoleculares, como complejos huésped-huésped y complejos de aniones. La(s) constante(s) de estabilidad proporciona la información requerida para calcular la(s) concentración(es) de los complejos en solución. Existen muchas áreas de aplicación en química, biología y medicina.

Historia

Jannik Bjerrum desarrolló el primer método general para la determinación de constantes de estabilidad de complejos de metal-amina en 1941.[1]​ Las razones por las que esto ocurrió en una fecha tan tardía, casi 50 años después de que Alfred Werner propusiera las estructuras correctas para los complejos de coordinación , han sido resumidas por Beck y Nagypál.[2]​ La clave del método de Bjerrum fue el uso del electrodo de vidrio y el medidor de pH recientemente desarrollados para determinar la concentración de iones de hidrógeno en la solución. Bjerrum reconoció que la formación de un complejo metálico con un ligando era una especie de equilibrio ácido-base: existe una competencia por el ligando, L, entre el ion metálico, Mn+, y el ion hidrógeno, H+. Esto significa que hay que considerar dos equilibrios simultáneos. En lo que sigue se omiten las cargas eléctricas en aras de la generalidad. Los dos equilibrios son

H + L   HL
M + L   ML

Por lo tanto, siguiendo la concentración de iones de hidrógeno durante una titulación de una mezcla de M y HL con una base, y conociendo la constante de disociación ácida de HL, se podría determinar la constante de estabilidad para la formación de ML. Bjerrum pasó a determinar las constantes de estabilidad para sistemas en los que se pueden formar muchos complejos.

M + q L   MLq

Los siguientes veinte años vieron una verdadera explosión en el número de constantes de estabilidad que se determinaron. Se descubrieron relaciones, como la serie de Irving-Williams. Los cálculos se realizaron a mano utilizando los llamados métodos gráficos. Rossotti y Rossotti resumen las matemáticas subyacentes a los métodos utilizados en este período.[3]​ El siguiente desarrollo clave fue el uso de un programa de computadora, LETAGROP[4][5]​ para hacer los cálculos. Esto permitió el examen de sistemas demasiado complicados para ser evaluados mediante cálculos manuales. Posteriormente, se desarrollaron programas informáticos capaces de manejar equilibrios complejos en general, como SCOGS[6]​ y MINIQUAD,[7]​ de modo que hoy en día la determinación de las constantes de estabilidad se ha convertido casi en una operación "rutinaria". Los valores de miles de constantes de estabilidad se pueden encontrar en dos bases de datos comerciales.[8][9]

Teoría

La formación de un complejo entre un ion metálico, M, y un ligando, L, de hecho, suele ser una reacción de sustitución. Por ejemplo, en soluciones acuosas, los iones metálicos estarán presentes como aquiones, por lo que la reacción para la formación del primer complejo podría escribirse como

[M(H2O)n] + L   [M(H2O)n−1L] + H2O

La constante de equilibrio para esta reacción está dada por

 

[L] debe leerse como "la concentración de L" y de la misma manera para los otros términos entre corchetes. La expresión se puede simplificar enormemente eliminando aquellos términos que son constantes. El número de moléculas de agua unidas a cada ion metálico es constante. En soluciones diluidas la concentración de agua es efectivamente constante. La expresión se convierte en.

 

Siguiendo esta simplificación se puede dar una definición general, para el equilibrio general

p M + q L …   MpLq
 

La definición se puede ampliar fácilmente para incluir cualquier número de reactivos. Los reactivos no siempre tienen que ser un metal y un ligando, sino que pueden ser cualquier especie que forme un complejo. Las constantes de estabilidad definidas de esta manera, son constantes de asociación. Esto puede llevar a cierta confusión, ya que los valores de pKa son constantes de disociación. En los programas de computadora de propósito general, es costumbre definir todas las constantes como constantes de asociación. La relación entre los dos tipos de constante se da en las constantes de asociación y disociación .

Constantes escalonadas y acumulativas

Una constante acumulativa o general, dado el símbolo β, es la constante para la formación de un complejo a partir de reactivos. Por ejemplo, la constante acumulativa para la formación de ML2 está dada por

 ;      

Las constantes por pasos, K1 y K2 se refieren a la formación de los complejos paso a paso.

 

Resulta que

 

Una constante acumulativa siempre se puede expresar como el producto de constantes por pasos. A la inversa, cualquier constante escalonada puede expresarse como un cociente de dos o más constantes generales. No hay una notación acordada para las constantes por pasos, aunque un símbolo como  se encuentra a veces en la literatura. Siempre es mejor definir cada constante de estabilidad por referencia a una expresión de equilibrio.

Productos de hidrólisis

La formación de un complejo hidroxo es un ejemplo típico de una reacción de hidrólisis. Una reacción de hidrólisis es aquella en la que un sustrato reacciona con el agua, dividiendo una molécula de agua en hidróxido e iones de hidrógeno. En este caso, el ion hidróxido forma un complejo con el sustrato.

M + OH   M(OH);      

En el agua de la concentración de hidróxido se relaciona con la concentración de iones de hidrógeno por la constante auto-ionización, Kw.

Kw=[H+][OH];     [OH] = Kw[H+]−1

La expresión para la concentración de hidróxido se sustituye en la expresión constante de formación.

 
 

La literatura suele dar valor de β*.

Complejos ácido-base

Puede considerarse que un ácido de Lewis, A, y una base de Lewis, B, forman un complejo AB

A + B   AB      

Hay tres teorías principales relacionadas con la fuerza de los ácidos y bases de Lewis y las interacciones entre ellos.

  1. La teoría del ácido-base fuerte y débil (HSAB).[10]​ Esto se utiliza principalmente para fines cualitativos.
  2. Drago y Wayland propuso una ecuación de dos parámetros que predice la entalpía estándar de formación de un gran número de aductos con bastante precisión.

−ΔH (A − B) = EAEB + CACB.Los valores de los parámetros E y C están disponibles[11]

  1. Números de donante de Guttmann: para las bases, el número se deriva de la entalpía de reacción de la base con pentacloruro de antimonio en 1,2-dicloroetano como disolvente. Para los ácidos, un número aceptor se deriva de la entalpía de reacción del ácido con óxido de trifenilfosfina.[12]

Termodinámica

La termodinámica de la formación de complejos de iones metálicos proporciona mucha información significativa.[13]​ En particular, es útil para distinguir entre los efectos entálpicos y entrópicos. Los efectos entalpicos dependen de la fuerza de los enlaces y los efectos entrópicos tienen que ver con cambios en el orden / desorden de la solución en su conjunto. El efecto del quelato, a continuación, se explica mejor en términos de termodinámica.

Una constante de equilibrio está relacionada con el cambio de energía libre estándar de Gibbs para la reacción

ΔG = −2.303 RT log10 β.

R es la constante de gas y T es la temperatura absoluta. A los 25 °C, ΔG = (−5.708 kJ mol−1) ⋅ log β . La energía libre se compone de un término de entalpía y un término de entropía.

ΔG = ΔHTΔS

El cambio de entalpía estándar se puede determinar por calorimetría o mediante el uso de la ecuación de Van t Hoff, aunque es preferible el método de calorimetría. Cuando se han determinado tanto el cambio de entalpía estándar como la constante de estabilidad, el cambio de entropía estándar se calcula fácilmente a partir de la ecuación anterior.

El hecho de que las constantes de formación escalonada de complejos del tipo MLn disminuyen en magnitud a medida que n aumenta puede explicarse en parte en términos del factor de entropía. Tomemos el caso de la formación de complejos octaédricos .

[M(H2O)mLn−1] + L   [M(H2O)m−1Ln]

Para el primer paso m = 6, n = 1 y el ligando puede ir en uno de los 6 sitios. Para el segundo paso m = 5 y el segundo ligando puede ir en uno de solo 5 sitios. Esto significa que hay más aleatoriedad en el primer paso que en el segundo; ΔS es más positivo, entonces G es más negativo y se registra K1 > log K2. La relación de las constantes de estabilidad por pasos se puede calcular sobre esta base, pero las relaciones experimentales no son exactamente iguales porque Δ H no es necesariamente la misma para cada paso.[14]​ El factor de entropía también es importante en el efecto quelato, a continuación.

Dependencia de la fuerza iónica

La constante de equilibrio termodinámica, K, para el equilibrio.

M + L   ML

se puede definir[15]​ como

 

donde {ML} es la actividad de la especie química ML etc. K es adimensional ya que la actividad es adimensional. Las actividades de los productos se colocan en el numerador, las actividades de los reactivos se colocan en el denominador. Ver coeficiente de actividad para una derivación de esta expresión.

Dado que la actividad es el producto de la concentración y el coeficiente de actividad (γ), la definición también podría escribirse como

 

donde [ML] representa la concentración de ML y Γ es un cociente de coeficientes de actividad. Esta expresión puede generalizarse como

 
 
Dependencia de la constante de estabilidad para la formación de [Cu (glicinato)]+ en la fuerza iónica (NaClO4)[16]

Para evitar las complicaciones implicadas en el uso de las actividades, las constantes de estabilidad se determinaron , cuando sea posible, en un medio que consiste en una solución de un fondo de electrolito a alta fuerza iónica , es decir, en condiciones en las que Γ se puede suponer que ser siempre constante. [15]​ Por ejemplo, el medio podría ser una solución de 0.1mol dm−3 nitrato de sodio o 3 mol   Dm-3 perclorato de sodio Cuando Γ es constante, se puede ignorar y se obtiene la expresión general en la teoría anterior.

Todos los valores constantes de estabilidad publicados se refieren al medio iónico específico utilizado en su determinación y se obtienen diferentes valores con diferentes condiciones, como se ilustra para el complejo CuL (L = glicinato). Además, los valores constantes de estabilidad dependen del electrolito específico utilizado, ya que el valor de Γ es diferente para diferentes electrolitos, incluso a la misma fuerza iónica . No es necesario que haya una interacción química entre las especies en equilibrio y el electrolito de fondo, pero estas interacciones pueden ocurrir en casos particulares. Por ejemplo, los fosfatos forman complejos débiles con metales alcalinos , por lo que, al determinar las constantes de estabilidad que involucran fosfatos, como el ATP, el electrolito de fondo utilizado será, por ejemplo, una sal de tetralquilamonio . Otro ejemplo es el hierro (III) que forma complejos débiles con haluros y otros aniones, pero no con iones perclorato .

Cuando las constantes publicadas se refieren a una fuerza iónica diferente a la requerida para una aplicación particular, pueden ajustarse por medio de la teoría de los iones específicos (SIT) y otras teorías.[17]

Dependencia de la temperatura

Todas las constantes de equilibrio varían con la temperatura de acuerdo con la ecuación de Van 't Hoff[18]

 

Alternativamente

 

R es la constante de gas y T es la temperatura termodinámica. Así, por exotérmicas reacciones, donde la norma cambio de entalpía, ΔH⊖, es negativo, K disminuye con la temperatura, pero para endotérmicos reacciones, donde ΔH es positivo, K aumenta con la temperatura.

Factores que afectan a las constantes de estabilidad de los complejos

El efecto quelato

 
Complejos de Cu2+ con metilamina (izquierda) etilendiamina (derecha)

Considere los dos equilibrios, en solución acuosa, entre el ión cobre (II), Cu 2+ y la etilendiamina (en), por un lado, y la metilamina , MeNH 2, por el otro.

Cu2+ + en   [Cu(en)]2+

 

 

 

 

(1)

Cu2+ + 2 MeNH2   [Cu(MeNH2)2]2+

 

 

 

 

(2)

En (1) el ligando bidentado, la etilendiamina forma un complejo quelato con el ion cobre. La quelación resulta en la formación de un anillo de cinco miembros. En (2) el ligando bidentado se reemplaza por dos ligandos de metilamina monodentados de aproximadamente la misma potencia del donante, lo que significa que la entalpía de formación de enlaces Cu-N es aproximadamente la misma en las dos reacciones. En condiciones de concentraciones de cobre iguales y cuando la concentración de metilamina sea el doble de la concentración de etilendiamina, la concentración del complejo (1) será mayor que la concentración del complejo (2). El efecto aumenta con el número de anillos de quelatos, por lo que la concentración del complejo de EDTA, que tiene seis anillos de quelatos, es mucho mayor que un complejo correspondiente con dos ligandos donadores de nitrógeno monodentados y cuatro ligandos de carboxilato monodentados. Por lo tanto, el fenómeno del efecto quelato es un hecho empírico firmemente establecido: en condiciones comparables, la concentración de un complejo de quelato será más alta que la concentración de un complejo análogo con ligandos monodentados.

El enfoque termodinámico para explicar el efecto del quelato considera la constante de equilibrio para la reacción: cuanto mayor sea la constante de equilibrio, mayor será la concentración del complejo.

[Cu(en)] = β11[Cu][en]

 

 

 

 

(3)

[Cu(MeNH2)2] = β12[Cu][MeNH2]2

 

 

 

 

(4)

Cuando la concentración analítica de metilamina es el doble que la de etilendiamina y la concentración de cobre es la misma en ambas reacciones, la concentración [Cu (en)] 2+ es mucho más alta que la concentración [Cu (MeNH2)2] 2+ porque β11 ≫ β12.

La diferencia entre las dos constantes de estabilidad se debe principalmente a la diferencia en el cambio de entropía estándar, ΔS. En la ecuación (1) hay dos partículas a la izquierda y una a la derecha, mientras que en la ecuación (2) hay tres partículas a la izquierda y una a la derecha. Esto significa que se pierde menos entropía de desorden cuando se forma el complejo de quelato que cuando se forma el complejo con ligandos monodentados. Este es uno de los factores que contribuyen a la diferencia de entropía. Otros factores incluyen cambios de solvatación y formación de anillos. Algunos datos experimentales para ilustrar el efecto se muestran en la siguiente tabla. [19]

 
Un complejo de EDTA

Estos datos muestran que los cambios de entalpía estándar son aproximadamente iguales para las dos reacciones y que la razón principal por la que el complejo de quelato es mucho más estable es que el término de entropía estándar es mucho menos desfavorable, de hecho, es favorable en este caso. En general, es difícil tener en cuenta precisamente los valores termodinámicos en términos de cambios en la solución a nivel molecular, pero está claro que el efecto del quelato es predominantemente un efecto de la entropía. Otras explicaciones, incluida la de Schwarzenbach,[20]​ se discuten en Greenwood y Earnshaw.[19]

El efecto de quelato aumenta a medida que aumenta el número de anillos de quelato. Por ejemplo, el complejo [Ni (dien)2)]2+ es más estable que el complejo [Ni(en)3)]2+; ambos complejos son octaédricos con seis átomos de nitrógeno alrededor del ión níquel, pero el dien (dietilentriamina, 1,4,7-triazaheptano) es un ligando tridentado y en es bidentado. El número de anillos de quelatos es uno menos que el número de átomos donantes en el ligando. El EDTA (ácido etilendiaminotetracético) tiene seis átomos donantes, por lo que forma complejos muy fuertes con cinco anillos de quelatos. Los ligandos como DTPA, que tienen ocho átomos donadores, se usan para formar complejos con grandes iones metálicos, como los iones lantánidos o actínidos , que generalmente forman complejos de 8 o 9 coordenadas.

 
etilendiamina
 
dietilentriamina

Los anillos de quelatos de 5 miembros y 6 miembros dan los complejos más estables. Los anillos de 4 miembros están sujetos a tensión interna debido a que el pequeño ángulo entre enlaces es el anillo. El efecto de quelato también se reduce con anillos de 7 y 8 miembros, porque los anillos más grandes son menos rígidos, por lo que se pierde menos entropía en su formación.

Desprotonación de grupos alifáticos-OH

 
2-aminoetanol
 

La eliminación de un protón de un grupo alifático- OH es difícil de lograr en una solución acuosa porque la energía requerida para este proceso es bastante grande. Por lo tanto, la ionización de grupos alifáticos-OH ocurre en solución acuosa solo en circunstancias especiales. Una circunstancia de este tipo se encuentra con compuestos que contienen la subestructura H 2 N – C – C – OH. Por ejemplo, los compuestos que contienen la subestructura 2-aminoetanol pueden formar complejos de quelatos metálicos con la forma desprotonada, H 2 N – C – C – O - . El efecto de quelato suministra la energía extra necesaria para romper el enlace –OH.

Un ejemplo importante ocurre con la molécula tris . Esta molécula se debe utilizar con precaución como agente de tamponamiento, ya que formará complejos de quelatos con iones como Fe 3+ y Cu 2+ .

El efecto macrocíclico

Se encontró que la estabilidad del complejo de cobre (II) con el ligando macrocíclico ciclam (1,4,8,11-tetraazaciclotetradecano) era mucho mayor de lo esperado en comparación con la estabilidad del complejo con la correspondiente amina de cadena abierta.[21]​ Este fenómeno fue denominado "el efecto macrocíclico " y también se interpretó como un efecto de entropía. Sin embargo, estudios posteriores sugirieron que tanto la entalpía como los factores de entropía estaban involucrados.[22]

Una diferencia importante entre los ligandos macrocíclicos y los ligandos de cadena abierta (quelantes) es que tienen selectividad para los iones metálicos, según el tamaño de la cavidad en la que se inserta el ión metálico cuando se forma un complejo. Por ejemplo, el éter corona 18-corona-6 forma complejos mucho más fuertes con el ion potasio, K+ que con el ion sodio más pequeño, Na+.[23]

En la hemoglobina, un ion de hierro (II) está complejado por un anillo de porfirina macrocíclica. El artículo hemoglobina afirma incorrectamente que la oxihemoglogina contiene hierro (III). Ahora se sabe que el hierro (II) en la hemoglobina es un complejo de baja rotación, mientras que en la oxihemoglobina es un complejo de alta rotación. El ion Fe 2+ de bajo espín encaja perfectamente en la cavidad del anillo de porhirina, pero el hierro de alto espín (II) es significativamente más grande y el átomo de hierro sale del plano del ligando macrocíclico. [24]​ Este efecto contribuye a la capacidad de la hemoglobina para unirse al oxígeno de manera reversible en condiciones biológicas. En la vitamina B12, un ion cobalto (II) se mantiene en un anillo corrino . La clorofila es un complejo macrocíclico de magnesio (II).

   
Ciclam Porfina , la porfirina más simple.
 
Estructuras de los éteres de corona comunes: 12-crown-4 , 15-crown-5 , 18-crown-6 , dibenzo-18-crown-6 y diaza-18-crown-6.

Las constantes sucesivas de formación por pasos Kn en una serie como MLn (n = 1, 2, ...) generalmente disminuyen a medida que n aumenta. Las excepciones a esta regla ocurren cuando la geometría de los complejos de MLn no es la misma para todos los miembros de la serie. El ejemplo clásico es la formación del complejo diamminesilver (I) [Ag(NH3)2]+ en solución acuosa.

 

En este caso, K2. > K1. La razón de esto es que, en solución acuosa, el ión escrito como Ag + en realidad existe como la especie tetraédrica de aqua de cuatro coordenadas [Ag (OH 2 ) 4 ] + . El primer paso es una reacción de sustitución que implica el desplazamiento de una molécula de agua unida por el amoníaco que forma el complejo tetraédrico [Ag (NH 3 ) (OH 2 ) 3 ] + (comúnmente abreviado como [Ag (NH 3 )] + ). En el segundo paso, los ligandos aqua se pierden para formar un producto lineal de dos coordenadas [H 3 N – Ag – NH 3 ] + . El examen de los datos termodinámicos muestra que tanto la entalpia como los efectos de entropía determinan el resultado. [25]

equilibrio ΔH /kJ mol−1 ΔS /J K−1 mol−1
Ag + + NH 3   [Ag (NH 3 )] + −21.4 8.66
[Ag (NH 3 )] + + NH 3   [Ag (NH 3 ) 2 ] + −35.2 −61.26

Existen otros ejemplos donde el cambio es de octaédrico a tetraédrico, como en la formación de [CoCl 4 ] 2− a partir de [Co (H 2 O) 6 ] 2+ .

Clasificación de iones metálicos

Ahrland, Chatt y Davies propusieron que los iones metálicos podrían describirse como de clase A si formaran complejos más fuertes con ligandos cuyos átomos donadores son nitrógeno , oxígeno o flúor que con los ligandos cuyos átomos donadores son fósforo , azufre o cloro y clase B si ocurre lo contrario. cierto. [26]​ Por ejemplo, Ni 2+ forma complejos más fuertes con aminas que con fosfinas, pero Pd 2+ forma complejos más fuertes con fosfinas que con aminas. Más tarde, Pearson propuso la teoría de ácidos y bases duros y blandos (teoría HSAB).[27]​ En esta clasificación, los metales de clase A son ácidos duros y los metales de clase B son ácidos blandos. Algunos iones, como el cobre (I), se clasifican como límite. Los ácidos duros forman complejos más fuertes con bases duras que con bases blandas. En términos generales, las interacciones duro-duro son predominantemente de naturaleza electrostática, mientras que las interacciones suave-suave son predominantemente de naturaleza covalente. La teoría de HSAB, aunque útil, es solo semi-cuantitativa.[28]

La dureza de un ion metálico aumenta con el estado de oxidación. Un ejemplo de este efecto está dado por el hecho de que el Fe 2+ tiende a formar complejos más fuertes con los ligandos N- donantes que con los ligandos O- donantes, pero lo contrario es cierto para el Fe 3+ .

Efecto del radio iónico

La serie Irving-Williams se refiere al ión metálico divalente de giro alto, octaédrico de la primera serie de transición. Coloca las estabilidades de los complejos en el orden.

Mn <Fe <Co <Ni <Cu> Zn

Se encontró que este orden se mantiene para una amplia variedad de ligandos.[29]​ Hay tres líneas de la explicación de la serie.

  1. Se espera que el radio iónico disminuya regularmente para Mn2+ a Zn2+. Esta sería la tendencia periódica normal y explicaría el aumento general de la estabilidad.
  2. La energía de estabilización del campo cristalino (CFSE) aumenta de cero para el manganeso (II) a un máximo en níquel (II). Esto hace que los complejos sean cada vez más estables. CFSE vuelve a cero para el zinc (II).
  3. Aunque el CFSE para el cobre (II) es menor que para el níquel (II), los complejos de cobre octaédrico (II) están sujetos al efecto Jahn-Teller, lo que da como resultado un complejo con una estabilidad adicional.

Otro ejemplo del efecto del radio iónico es el aumento constante en la estabilidad de los complejos con un ligando dado a lo largo de la serie de iones lantánidos trivalentes, un efecto de la bien conocida contracción de los lantánidos.

Aplicaciones

Los valores constantes de estabilidad se explotan en una amplia variedad de aplicaciones. La terapia de quelación se utiliza en el tratamiento de diversas enfermedades relacionadas con el metal, como la sobrecarga de hierro en pacientes con β- talasemia que han recibido transfusiones de sangre. El ligando ideal se une al ión metálico objetivo y no a otros, pero este grado de selectividad es muy difícil de lograr. La droga deferiprona sintética logra selectividad al tener dos átomos donantes de oxígeno, de modo que se une al Fe3+ con preferencia a cualquiera de los otros iones divalentes que están presentes en el cuerpo humano, como Mg2+, Ca 2+ y Zn 2+. El tratamiento del envenenamiento por iones como Pb 2+ y Cd 2+ es mucho más difícil ya que estos son iones divalentes y la selectividad es más difícil de lograr.[30]​ El exceso de cobre en la enfermedad de Wilson puede eliminarse con penicilamina o trietilen tetramina (TETA). DTPA ha sido aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. para el tratamiento del envenenamiento por plutonio .

El DTPA también se usa como agente complejante para el gadolinio en la mejora del contraste de MRI. El requisito en este caso es que el complejo sea muy fuerte, ya que Gd 3+ es muy tóxico. La gran constante de estabilidad del ligando octadentado asegura que la concentración de Gd 3+ libre es casi insignificante, ciertamente muy por debajo del umbral de toxicidad. [31]​ Además, el ligando ocupa solo 8 de los 9 sitios de coordinación en el ion gadolinio. El noveno sitio está ocupado por una molécula de agua que se intercambia rápidamente con el fluido que lo rodea y es este mecanismo el que convierte el complejo paramagnético en un reactivo de contraste.

El EDTA forma complejos tan fuertes con la mayoría de los cationes divalentes que encuentra muchos usos. Por ejemplo, a menudo está presente en el detergente en polvo para actuar como ablandador de agua mediante el secuestro de iones de calcio y magnesio.

La selectividad de los ligandos macrocíclicos se puede utilizar como base para la construcción de un electrodo selectivo de iones . Por ejemplo, existen electrodos selectivos de potasio que utilizan el antibiótico macrocíclico natural valinomicina .

 
 
 
 
Deferiprona Penicilamina trietilentetramina, TETA Ácido etilendiaminotetraacético, EDTA
 
 
 
Ácido dietilentriaminopentaacético, DTPA Valinomicina Tri-n-butil fosfato

Una resina de intercambio iónico , como el chelex 100 , que contiene ligandos quelantes unidos a un polímero, se puede usar en suavizadores de agua y en técnicas de separación cromatográfica. En la extracción con solventes, la formación de complejos eléctricamente neutros permite que los cationes sean extraídos en solventes orgánicos. Por ejemplo , en nuclear de reprocesamiento de combustible de uranio (VI) y el plutonio (VI) se extraen en queroseno como los complejos [MO 2 (TBP) 2 (NO3) 2] (TBP = tri- n -butil fosfato). En la catálisis de transferencia de fase , una sustancia que es insoluble en un disolvente orgánico puede hacerse soluble mediante la adición de un ligando adecuado. Por ejemplo, las oxidaciones de permanganato de potasio se pueden lograr agregando una cantidad catalítica de un éter corona y una pequeña cantidad de disolvente orgánico a la mezcla de reacción acuosa, de modo que la reacción de oxidación ocurra en la fase orgánica.

En todos estos ejemplos, el ligando se elige en base a las constantes de estabilidad de los complejos formados. Por ejemplo, el TBP se usa en el reprocesamiento de combustible nuclear porque (entre otras razones) forma un complejo lo suficientemente fuerte como para que tenga lugar la extracción con solvente, pero lo suficientemente débil como para que el ácido nítrico destruya el complejo para recuperar el catión uranilo como complejos nitrato . como [UO 2 (NO 3 ) 4 ] 2− de nuevo en la fase acuosa.

Los complejos supramoleculares se mantienen unidos por enlaces de hidrógeno, fuerzas hidrófobas, fuerzas de van der Waals, interacciones π-π y efectos electrostáticos, todos los cuales pueden describirse como enlaces no covalentes . Las aplicaciones incluyen reconocimiento molecular , química huésped-huésped y sensores de aniones.

Una aplicación típica en reconocimiento molecular implicaba la determinación de constantes de formación para complejos formados entre una molécula de urea tripodal sustituida y varios sacáridos . [32]​ El estudio se llevó a cabo utilizando un disolvente no acuoso y mediciones de desplazamiento químico por RMN . El objetivo era examinar la selectividad con respecto a los sacáridos.

Un ejemplo del uso de complejos supramoleculares en el desarrollo de quimiosensores es el uso de conjuntos de metales de transición para detectar la ATP . [33]

La complejación del anión se puede lograr encapsulando el anión en una jaula adecuada. La selectividad se puede diseñar diseñando la forma de la jaula. Por ejemplo, los aniones de dicarboxilato podrían encapsularse en la cavidad elipsoidal en una gran estructura macrocíclica que contiene dos iones metálicos. [34]

Métodos experimentales

El método desarrollado por Bjerrum sigue siendo el principal método en uso hoy en día, aunque la precisión de las mediciones ha aumentado considerablemente. Más comúnmente, una solución que contiene el ión metálico y el ligando en un medio de alta fuerza iónica se acidifica primero hasta el punto donde el ligando está completamente protonado. Esta solución luego se titula, a menudo por medio de un auto-titulador controlado por computadora, con una solución de base libre de CO2. La concentración o actividad del ión de hidrógeno se controla mediante un electrodo de vidrio. El conjunto de datos utilizado para el cálculo tiene tres componentes: una declaración que define la naturaleza de las especies químicas que estarán presentes, llamado modelo del sistema, detalles sobre las concentraciones de los reactivos utilizados en la titulación y, finalmente, las mediciones experimentales en La forma de titulación y los pares de pH (o emf).

No siempre es posible utilizar un electrodo de vidrio. Si ese es el caso, la titulación puede ser monitoreada por otros tipos de medición. Los espectros de absorbancia , espectros de fluorescencia y espectros de RMN son las alternativas más utilizadas. La práctica actual es tomar mediciones de absorbancia o fluorescencia en un rango de longitudes de onda y ajustar estos datos simultáneamente. También se pueden acoplar varios cambios químicos de RMN.

El modelo químico incluirá valores de las constantes de protonación del ligando, que se habrán determinado en experimentos separados, un valor para log Kw y las estimaciones de las constantes de estabilidad desconocidos de los complejos formados. Estas estimaciones son necesarias porque el cálculo utiliza un algoritmo de mínimos cuadrados no lineal. Las estimaciones se obtienen generalmente por referencia a un sistema químicamente similar. Las bases de datos de constantes de estabilidad[8][9]​ pueden ser muy útiles para encontrar valores de constantes de estabilidad publicados para complejos relacionados.

En algunos casos simples, los cálculos se pueden hacer en una hoja de cálculo.[35]​ De lo contrario, los cálculos se realizan con la ayuda de programas informáticos de propósito general. Los programas más utilizados son:

  • Datos potenciométricos y/o espectrofotométricos: PSEQUAD[36]
  • Datos potenciométricos: HYPERQUAD,[37]​ BEST[38]
  • Datos espectrofotométricos: HypSpec, SQUAD, [39]​ SPECFIT,[40][41]ReactLab EQUILIBRIA (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).[42]
  • Datos de RMN HypNMR ,[43]​ WINEQNMR2 [44]

En bioquímica, las constantes de formación de aductos se pueden obtener a partir de mediciones de calorimetría de titulación isotérmica (ITC). Esta técnica produce tanto la constante de estabilidad como el cambio de entalpia estándar para el equilibrio.[45]​ Está mayormente limitado, por disponibilidad de software, a complejos de estequiometría 1: 1.

Datos evaluados críticamente

Las siguientes referencias son para revisiones críticas de constantes de estabilidad publicadas para varias clases de ligandos. Todas estas revisiones son publicadas por IUPAC y el texto completo está disponible, sin cargo, en formato pdf.

  • Especiación química de metales pesados ambientalmente significativos con ligandos inorgánicos. Parte 1: Los sistemas Hg 2+ –Cl - , OH - , CO2−
    3
    , SO2−
    4
    , y PO3−
    4
    . [59]
  • Especiación química de metales ambientalmente significativas con ligandos inorgánicos Parte 2: Los sistemas acuosos Cu2+ -OH-, Cl-,CO2−
    3
    , SO2−
    4
    , y PO3−
    4
    .PO3−
    4
    [60]
  • Especiación química de metales ambientalmente significativas con ligandos inorgánicos Parte 3: Los sistemas Pb 2+ -OH -, Cl -, CO2−
    3
    <br> CO2−
    3
    , SO2−
    4
    , y PO3−
    4
    [61]
  • Especiación química de metales ambientalmente significativos con ligandos inorgánicos. Parte 4: Los sistemas Cd 2+ –OH - , Cl - , CO2−
    3
    <br> CO2−
    3
    , SO2−
    4
    , y PO3−
    4
    [62]

Bases de datos

  • La base de datos Ki es una base de datos de dominio público de afinidades de unión (Ki) publicadas de fármacos y compuestos químicos para receptores, transportadores de neurotransmisores, canales iónicos y enzimas.
  • BindingDB es una base de datos de dominio público de afinidades de unión medidas, que se centra principalmente en las interacciones de proteínas consideradas dianas de fármacos con moléculas pequeñas similares a fármacos.

Referencias

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Otras lecturas

Sigel, Roland K. O.; Skilandat, Miriam; Sigel, Astrid; Operschall, Bert P.; Sigel, Helmut (2013). «Chapter 8. Complex formation of cadmium with sugar residues, nucleobases, phosphates, nucleotides and nucleic acids». En Sigel, Astrid, ed. Cadmium: From Toxicology to Essentiality 11. Springer. pp. 191-274. doi:10.1007/978-94-007-5179-8_8. 

Sóvágó, Imre; Várnagy, Katalin (2013). «Chapter 9. Cadmium(II) complexes of amino acids and peptides». En Sigel, Astrid, ed. Cadmium: From Toxicology to Essentiality 11. Springer. pp. 275-302. doi:10.1007/978-94-007-5179-8_9. 

Yatsimirsky, Konstantin Borisovich; Vasilyev, Vladimir Pavlovich (1960). Instability Constants of Complex Compounds. OUP. 

Enlaces externos

  • Sitio web de constantes de estabilidad : contiene información sobre programas informáticos, aplicaciones, bases de datos y hardware para titulaciones experimentales.
  •   Datos: Q4551818

constantes, estabilidad, complejos, constante, estabilidad, constante, formación, constante, unión, constante, equilibrio, para, formación, complejo, solución, medida, fuerza, interacción, entre, reactivos, unen, para, formar, complejo, tipos, principales, com. Una constante de estabilidad constante de formacion constante de union es una constante de equilibrio para la formacion de un complejo en solucion Es una medida de la fuerza de la interaccion entre los reactivos que se unen para formar el complejo Hay dos tipos principales de complejos compuestos formados por la interaccion de un ion metalico con un ligando y complejos supramoleculares como complejos huesped huesped y complejos de aniones La s constante s de estabilidad proporciona la informacion requerida para calcular la s concentracion es de los complejos en solucion Existen muchas areas de aplicacion en quimica biologia y medicina Equilibrios quimicosEquilibrosEquilibrio quimico Estabilidad quimica Equilibrio dinamico Equilibrio de solubilidad Equilibrio termodinamico Equilibrio vapor liquidoConstantesConstante de disociacion acida Constante de union Constante de disociacion Coeficiente de particion Constante de equilibrio Cociente de reaccion Constantes de estabilidad de complejos Selectividad de union Actividad termodinamicaConceptosSolucion tampon Quelacion Determinacion de constantes de equilibrio Quimica del equilibrio Desarrollo de equilibrio Etapa de equilibrio Funcion de acidez de Hammett Ley de Henry Extraccion liquido liquido Efecto macrociclo Diagrama de fases Diagrama de predominio Regla de fase Autoionizacion del agua Indice 1 Historia 2 Teoria 2 1 Constantes escalonadas y acumulativas 2 2 Productos de hidrolisis 2 3 Complejos acido base 3 Termodinamica 3 1 Dependencia de la fuerza ionica 3 2 Dependencia de la temperatura 4 Factores que afectan a las constantes de estabilidad de los complejos 4 1 El efecto quelato 4 1 1 Desprotonacion de grupos alifaticos OH 4 2 El efecto macrociclico 4 3 Clasificacion de iones metalicos 4 4 Efecto del radio ionico 5 Aplicaciones 6 Metodos experimentales 7 Datos evaluados criticamente 8 Bases de datos 9 Referencias 10 Otras lecturas 11 Enlaces externosHistoria EditarJannik Bjerrum desarrollo el primer metodo general para la determinacion de constantes de estabilidad de complejos de metal amina en 1941 1 Las razones por las que esto ocurrio en una fecha tan tardia casi 50 anos despues de que Alfred Werner propusiera las estructuras correctas para los complejos de coordinacion han sido resumidas por Beck y Nagypal 2 La clave del metodo de Bjerrum fue el uso del electrodo de vidrio y el medidor de pH recientemente desarrollados para determinar la concentracion de iones de hidrogeno en la solucion Bjerrum reconocio que la formacion de un complejo metalico con un ligando era una especie de equilibrio acido base existe una competencia por el ligando L entre el ion metalico Mn y el ion hidrogeno H Esto significa que hay que considerar dos equilibrios simultaneos En lo que sigue se omiten las cargas electricas en aras de la generalidad Los dos equilibrios son H L HL M L MLPor lo tanto siguiendo la concentracion de iones de hidrogeno durante una titulacion de una mezcla de M y HL con una base y conociendo la constante de disociacion acida de HL se podria determinar la constante de estabilidad para la formacion de ML Bjerrum paso a determinar las constantes de estabilidad para sistemas en los que se pueden formar muchos complejos M q L MLqLos siguientes veinte anos vieron una verdadera explosion en el numero de constantes de estabilidad que se determinaron Se descubrieron relaciones como la serie de Irving Williams Los calculos se realizaron a mano utilizando los llamados metodos graficos Rossotti y Rossotti resumen las matematicas subyacentes a los metodos utilizados en este periodo 3 El siguiente desarrollo clave fue el uso de un programa de computadora LETAGROP 4 5 para hacer los calculos Esto permitio el examen de sistemas demasiado complicados para ser evaluados mediante calculos manuales Posteriormente se desarrollaron programas informaticos capaces de manejar equilibrios complejos en general como SCOGS 6 y MINIQUAD 7 de modo que hoy en dia la determinacion de las constantes de estabilidad se ha convertido casi en una operacion rutinaria Los valores de miles de constantes de estabilidad se pueden encontrar en dos bases de datos comerciales 8 9 Teoria EditarLa formacion de un complejo entre un ion metalico M y un ligando L de hecho suele ser una reaccion de sustitucion Por ejemplo en soluciones acuosas los iones metalicos estaran presentes como aquiones por lo que la reaccion para la formacion del primer complejo podria escribirse como M H2O n L M H2O n 1L H2OLa constante de equilibrio para esta reaccion esta dada por b M H 2 O n 1 L H 2 O M H 2 O n L displaystyle beta frac mathrm M H 2 O n 1 mathrm L mathrm H 2 O mathrm M H 2 O n mathrm L L debe leerse como la concentracion de L y de la misma manera para los otros terminos entre corchetes La expresion se puede simplificar enormemente eliminando aquellos terminos que son constantes El numero de moleculas de agua unidas a cada ion metalico es constante En soluciones diluidas la concentracion de agua es efectivamente constante La expresion se convierte en b M L M L displaystyle beta mathrm frac ML M L Siguiendo esta simplificacion se puede dar una definicion general para el equilibrio general p M q L MpLq b p q M p L q M p L q displaystyle beta pq frac mathrm M p mathrm L q mathrm M p mathrm L q La definicion se puede ampliar facilmente para incluir cualquier numero de reactivos Los reactivos no siempre tienen que ser un metal y un ligando sino que pueden ser cualquier especie que forme un complejo Las constantes de estabilidad definidas de esta manera son constantes de asociacion Esto puede llevar a cierta confusion ya que los valores de pKa son constantes de disociacion En los programas de computadora de proposito general es costumbre definir todas las constantes como constantes de asociacion La relacion entre los dos tipos de constante se da en las constantes de asociacion y disociacion Constantes escalonadas y acumulativas Editar Una constante acumulativa o general dado el simbolo b es la constante para la formacion de un complejo a partir de reactivos Por ejemplo la constante acumulativa para la formacion de ML2 esta dada por M 2 L ML 2 displaystyle ce M 2L lt gt ML2 b 12 M L 2 M L 2 displaystyle beta 12 mathrm frac ML 2 M L 2 Las constantes por pasos K1 y K2 se refieren a la formacion de los complejos paso a paso M L ML K 1 M L M L ML L ML 2 K 2 M L 2 M L L displaystyle begin array rl ce M L lt gt ML amp K 1 mathrm frac ML M L ce ML L lt gt ML2 amp K 2 mathrm frac ML 2 ML L end array Resulta que b 12 K 1 K 2 displaystyle beta 12 K 1 K 2 Una constante acumulativa siempre se puede expresar como el producto de constantes por pasos A la inversa cualquier constante escalonada puede expresarse como un cociente de dos o mas constantes generales No hay una notacion acordada para las constantes por pasos aunque un simbolo como K M L L displaystyle K ML L se encuentra a veces en la literatura Siempre es mejor definir cada constante de estabilidad por referencia a una expresion de equilibrio Productos de hidrolisis Editar La formacion de un complejo hidroxo es un ejemplo tipico de una reaccion de hidrolisis Una reaccion de hidrolisis es aquella en la que un sustrato reacciona con el agua dividiendo una molecula de agua en hidroxido e iones de hidrogeno En este caso el ion hidroxido forma un complejo con el sustrato M OH M OH K M O H M O H displaystyle K mathrm frac M OH M OH En el agua de la concentracion de hidroxido se relaciona con la concentracion de iones de hidrogeno por la constante auto ionizacion Kw Kw H OH OH Kw H 1La expresion para la concentracion de hidroxido se sustituye en la expresion constante de formacion K M O H M K w H 1 displaystyle K frac mathrm M mathrm OH mathrm M K mathrm w mathrm H 1 b 1 1 K K w M O H M H 1 displaystyle beta 1 1 KK mathrm w frac mathrm M mathrm OH mathrm M mathrm H 1 La literatura suele dar valor de b Complejos acido base Editar Puede considerarse que un acido de Lewis A y una base de Lewis B forman un complejo AB A B AB K A B A B displaystyle K mathrm frac AB A B Hay tres teorias principales relacionadas con la fuerza de los acidos y bases de Lewis y las interacciones entre ellos La teoria del acido base fuerte y debil HSAB 10 Esto se utiliza principalmente para fines cualitativos Drago y Wayland propuso una ecuacion de dos parametros que predice la entalpia estandar de formacion de un gran numero de aductos con bastante precision DH A B EAEB CACB Los valores de los parametros E y C estan disponibles 11 Numeros de donante de Guttmann para las bases el numero se deriva de la entalpia de reaccion de la base con pentacloruro de antimonio en 1 2 dicloroetano como disolvente Para los acidos un numero aceptor se deriva de la entalpia de reaccion del acido con oxido de trifenilfosfina 12 Termodinamica EditarLa termodinamica de la formacion de complejos de iones metalicos proporciona mucha informacion significativa 13 En particular es util para distinguir entre los efectos entalpicos y entropicos Los efectos entalpicos dependen de la fuerza de los enlaces y los efectos entropicos tienen que ver con cambios en el orden desorden de la solucion en su conjunto El efecto del quelato a continuacion se explica mejor en terminos de termodinamica Una constante de equilibrio esta relacionada con el cambio de energia libre estandar de Gibbs para la reaccion DG 2 303 RT log10 b R es la constante de gas y T es la temperatura absoluta A los 25 C DG 5 708 kJ mol 1 log b La energia libre se compone de un termino de entalpia y un termino de entropia DG DH TDS El cambio de entalpia estandar se puede determinar por calorimetria o mediante el uso de la ecuacion de Van t Hoff aunque es preferible el metodo de calorimetria Cuando se han determinado tanto el cambio de entalpia estandar como la constante de estabilidad el cambio de entropia estandar se calcula facilmente a partir de la ecuacion anterior El hecho de que las constantes de formacion escalonada de complejos del tipo MLn disminuyen en magnitud a medida que n aumenta puede explicarse en parte en terminos del factor de entropia Tomemos el caso de la formacion de complejos octaedricos M H2O mLn 1 L M H2O m 1Ln Para el primer paso m 6 n 1 y el ligando puede ir en uno de los 6 sitios Para el segundo paso m 5 y el segundo ligando puede ir en uno de solo 5 sitios Esto significa que hay mas aleatoriedad en el primer paso que en el segundo DS es mas positivo entonces G es mas negativo y se registra K1 gt log K2 La relacion de las constantes de estabilidad por pasos se puede calcular sobre esta base pero las relaciones experimentales no son exactamente iguales porque D H no es necesariamente la misma para cada paso 14 El factor de entropia tambien es importante en el efecto quelato a continuacion Dependencia de la fuerza ionica Editar La constante de equilibrio termodinamica K para el equilibrio M L MLse puede definir 15 como K M L M L displaystyle K ominus mathrm frac ML M L donde ML es la actividad de la especie quimica ML etc K es adimensional ya que la actividad es adimensional Las actividades de los productos se colocan en el numerador las actividades de los reactivos se colocan en el denominador Ver coeficiente de actividad para una derivacion de esta expresion Dado que la actividad es el producto de la concentracion y el coeficiente de actividad g la definicion tambien podria escribirse como K M L M L g M L g M g L M L M L G displaystyle K ominus mathrm frac ML M L times frac gamma mathrm ML gamma mathrm M gamma mathrm L mathrm frac ML M L times Gamma donde ML representa la concentracion de ML y G es un cociente de coeficientes de actividad Esta expresion puede generalizarse como b p q M p L q M p L q G displaystyle beta pq ominus frac mathrm M p mathrm L q mathrm M p mathrm L q times Gamma Dependencia de la constante de estabilidad para la formacion de Cu glicinato en la fuerza ionica NaClO4 16 Para evitar las complicaciones implicadas en el uso de las actividades las constantes de estabilidad se determinaron cuando sea posible en un medio que consiste en una solucion de un fondo de electrolito a alta fuerza ionica es decir en condiciones en las que G se puede suponer que ser siempre constante 15 Por ejemplo el medio podria ser una solucion de 0 1mol dm 3 nitrato de sodio o 3 mol Dm 3 perclorato de sodio Cuando G es constante se puede ignorar y se obtiene la expresion general en la teoria anterior Todos los valores constantes de estabilidad publicados se refieren al medio ionico especifico utilizado en su determinacion y se obtienen diferentes valores con diferentes condiciones como se ilustra para el complejo CuL L glicinato Ademas los valores constantes de estabilidad dependen del electrolito especifico utilizado ya que el valor de G es diferente para diferentes electrolitos incluso a la misma fuerza ionica No es necesario que haya una interaccion quimica entre las especies en equilibrio y el electrolito de fondo pero estas interacciones pueden ocurrir en casos particulares Por ejemplo los fosfatos forman complejos debiles con metales alcalinos por lo que al determinar las constantes de estabilidad que involucran fosfatos como el ATP el electrolito de fondo utilizado sera por ejemplo una sal de tetralquilamonio Otro ejemplo es el hierro III que forma complejos debiles con haluros y otros aniones pero no con iones perclorato Cuando las constantes publicadas se refieren a una fuerza ionica diferente a la requerida para una aplicacion particular pueden ajustarse por medio de la teoria de los iones especificos SIT y otras teorias 17 Dependencia de la temperatura Editar Todas las constantes de equilibrio varian con la temperatura de acuerdo con la ecuacion de Van t Hoff 18 d ln K d T D H m R T 2 displaystyle frac d ln K dT frac Delta mathit H mathrm m ominus RT 2 Alternativamente d ln K d 1 T D H R displaystyle frac d ln K d 1 T frac Delta H ominus R R es la constante de gas y T es la temperatura termodinamica Asi por exotermicas reacciones donde la norma cambio de entalpia DH es negativo K disminuye con la temperatura pero para endotermicos reacciones donde DH es positivo K aumenta con la temperatura Factores que afectan a las constantes de estabilidad de los complejos EditarEl efecto quelato Editar Complejos de Cu2 con metilamina izquierda etilendiamina derecha Considere los dos equilibrios en solucion acuosa entre el ion cobre II Cu 2 y la etilendiamina en por un lado y la metilamina MeNH 2 por el otro Cu2 en Cu en 2 1 Cu2 2 MeNH2 Cu MeNH2 2 2 2 En 1 el ligando bidentado la etilendiamina forma un complejo quelato con el ion cobre La quelacion resulta en la formacion de un anillo de cinco miembros En 2 el ligando bidentado se reemplaza por dos ligandos de metilamina monodentados de aproximadamente la misma potencia del donante lo que significa que la entalpia de formacion de enlaces Cu N es aproximadamente la misma en las dos reacciones En condiciones de concentraciones de cobre iguales y cuando la concentracion de metilamina sea el doble de la concentracion de etilendiamina la concentracion del complejo 1 sera mayor que la concentracion del complejo 2 El efecto aumenta con el numero de anillos de quelatos por lo que la concentracion del complejo de EDTA que tiene seis anillos de quelatos es mucho mayor que un complejo correspondiente con dos ligandos donadores de nitrogeno monodentados y cuatro ligandos de carboxilato monodentados Por lo tanto el fenomeno del efecto quelato es un hecho empirico firmemente establecido en condiciones comparables la concentracion de un complejo de quelato sera mas alta que la concentracion de un complejo analogo con ligandos monodentados El enfoque termodinamico para explicar el efecto del quelato considera la constante de equilibrio para la reaccion cuanto mayor sea la constante de equilibrio mayor sera la concentracion del complejo Cu en b11 Cu en 3 Cu MeNH2 2 b12 Cu MeNH2 2 4 Cuando la concentracion analitica de metilamina es el doble que la de etilendiamina y la concentracion de cobre es la misma en ambas reacciones la concentracion Cu en 2 es mucho mas alta que la concentracion Cu MeNH2 2 2 porque b11 b12 La diferencia entre las dos constantes de estabilidad se debe principalmente a la diferencia en el cambio de entropia estandar DS En la ecuacion 1 hay dos particulas a la izquierda y una a la derecha mientras que en la ecuacion 2 hay tres particulas a la izquierda y una a la derecha Esto significa que se pierde menos entropia de desorden cuando se forma el complejo de quelato que cuando se forma el complejo con ligandos monodentados Este es uno de los factores que contribuyen a la diferencia de entropia Otros factores incluyen cambios de solvatacion y formacion de anillos Algunos datos experimentales para ilustrar el efecto se muestran en la siguiente tabla 19 Un complejo de EDTA Estos datos muestran que los cambios de entalpia estandar son aproximadamente iguales para las dos reacciones y que la razon principal por la que el complejo de quelato es mucho mas estable es que el termino de entropia estandar es mucho menos desfavorable de hecho es favorable en este caso En general es dificil tener en cuenta precisamente los valores termodinamicos en terminos de cambios en la solucion a nivel molecular pero esta claro que el efecto del quelato es predominantemente un efecto de la entropia Otras explicaciones incluida la de Schwarzenbach 20 se discuten en Greenwood y Earnshaw 19 El efecto de quelato aumenta a medida que aumenta el numero de anillos de quelato Por ejemplo el complejo Ni dien 2 2 es mas estable que el complejo Ni en 3 2 ambos complejos son octaedricos con seis atomos de nitrogeno alrededor del ion niquel pero el dien dietilentriamina 1 4 7 triazaheptano es un ligando tridentado y en es bidentado El numero de anillos de quelatos es uno menos que el numero de atomos donantes en el ligando El EDTA acido etilendiaminotetracetico tiene seis atomos donantes por lo que forma complejos muy fuertes con cinco anillos de quelatos Los ligandos como DTPA que tienen ocho atomos donadores se usan para formar complejos con grandes iones metalicos como los iones lantanidos o actinidos que generalmente forman complejos de 8 o 9 coordenadas etilendiamina dietilentriaminaLos anillos de quelatos de 5 miembros y 6 miembros dan los complejos mas estables Los anillos de 4 miembros estan sujetos a tension interna debido a que el pequeno angulo entre enlaces es el anillo El efecto de quelato tambien se reduce con anillos de 7 y 8 miembros porque los anillos mas grandes son menos rigidos por lo que se pierde menos entropia en su formacion Desprotonacion de grupos alifaticos OH Editar 2 aminoetanol Tris La eliminacion de un proton de un grupo alifatico OH es dificil de lograr en una solucion acuosa porque la energia requerida para este proceso es bastante grande Por lo tanto la ionizacion de grupos alifaticos OH ocurre en solucion acuosa solo en circunstancias especiales Una circunstancia de este tipo se encuentra con compuestos que contienen la subestructura H 2 N C C OH Por ejemplo los compuestos que contienen la subestructura 2 aminoetanol pueden formar complejos de quelatos metalicos con la forma desprotonada H 2 N C C O El efecto de quelato suministra la energia extra necesaria para romper el enlace OH Un ejemplo importante ocurre con la molecula tris Esta molecula se debe utilizar con precaucion como agente de tamponamiento ya que formara complejos de quelatos con iones como Fe 3 y Cu 2 El efecto macrociclico Editar Se encontro que la estabilidad del complejo de cobre II con el ligando macrociclico ciclam 1 4 8 11 tetraazaciclotetradecano era mucho mayor de lo esperado en comparacion con la estabilidad del complejo con la correspondiente amina de cadena abierta 21 Este fenomeno fue denominado el efecto macrociclico y tambien se interpreto como un efecto de entropia Sin embargo estudios posteriores sugirieron que tanto la entalpia como los factores de entropia estaban involucrados 22 Una diferencia importante entre los ligandos macrociclicos y los ligandos de cadena abierta quelantes es que tienen selectividad para los iones metalicos segun el tamano de la cavidad en la que se inserta el ion metalico cuando se forma un complejo Por ejemplo el eter corona 18 corona 6 forma complejos mucho mas fuertes con el ion potasio K que con el ion sodio mas pequeno Na 23 En la hemoglobina un ion de hierro II esta complejado por un anillo de porfirina macrociclica El articulo hemoglobina afirma incorrectamente que la oxihemoglogina contiene hierro III Ahora se sabe que el hierro II en la hemoglobina es un complejo de baja rotacion mientras que en la oxihemoglobina es un complejo de alta rotacion El ion Fe 2 de bajo espin encaja perfectamente en la cavidad del anillo de porhirina pero el hierro de alto espin II es significativamente mas grande y el atomo de hierro sale del plano del ligando macrociclico 24 Este efecto contribuye a la capacidad de la hemoglobina para unirse al oxigeno de manera reversible en condiciones biologicas En la vitamina B12 un ion cobalto II se mantiene en un anillo corrino La clorofila es un complejo macrociclico de magnesio II Ciclam Porfina la porfirina mas simple Estructuras de los eteres de corona comunes 12 crown 4 15 crown 5 18 crown 6 dibenzo 18 crown 6 y diaza 18 crown 6 Las constantes sucesivas de formacion por pasos Kn en una serie como MLn n 1 2 generalmente disminuyen a medida que n aumenta Las excepciones a esta regla ocurren cuando la geometria de los complejos de MLn no es la misma para todos los miembros de la serie El ejemplo clasico es la formacion del complejo diamminesilver I Ag NH3 2 en solucion acuosa Ag NH 3 Ag NH 3 K 1 Ag NH 3 Ag NH 3 Ag NH 3 NH 3 Ag NH 3 2 K 2 Ag NH 3 2 Ag NH 3 NH 3 displaystyle begin array rl ce Ag NH3 lt gt Ag NH3 amp K 1 frac left ce Ag NH3 right ce Ag NH3 ce Ag NH3 NH3 lt gt Ag NH3 2 amp K 2 frac left ce Ag NH3 2 right ce Ag NH3 NH3 end array En este caso K2 gt K1 La razon de esto es que en solucion acuosa el ion escrito como Ag en realidad existe como la especie tetraedrica de aqua de cuatro coordenadas Ag OH 2 4 El primer paso es una reaccion de sustitucion que implica el desplazamiento de una molecula de agua unida por el amoniaco que forma el complejo tetraedrico Ag NH 3 OH 2 3 comunmente abreviado como Ag NH 3 En el segundo paso los ligandos aqua se pierden para formar un producto lineal de dos coordenadas H 3 N Ag NH 3 El examen de los datos termodinamicos muestra que tanto la entalpia como los efectos de entropia determinan el resultado 25 equilibrio DH kJ mol 1 DS J K 1 mol 1Ag NH 3 Ag NH 3 21 4 8 66 Ag NH 3 NH 3 Ag NH 3 2 35 2 61 26Existen otros ejemplos donde el cambio es de octaedrico a tetraedrico como en la formacion de CoCl 4 2 a partir de Co H 2 O 6 2 Clasificacion de iones metalicos Editar Ahrland Chatt y Davies propusieron que los iones metalicos podrian describirse como de clase A si formaran complejos mas fuertes con ligandos cuyos atomos donadores son nitrogeno oxigeno o fluor que con los ligandos cuyos atomos donadores son fosforo azufre o cloro y clase B si ocurre lo contrario cierto 26 Por ejemplo Ni 2 forma complejos mas fuertes con aminas que con fosfinas pero Pd 2 forma complejos mas fuertes con fosfinas que con aminas Mas tarde Pearson propuso la teoria de acidos y bases duros y blandos teoria HSAB 27 En esta clasificacion los metales de clase A son acidos duros y los metales de clase B son acidos blandos Algunos iones como el cobre I se clasifican como limite Los acidos duros forman complejos mas fuertes con bases duras que con bases blandas En terminos generales las interacciones duro duro son predominantemente de naturaleza electrostatica mientras que las interacciones suave suave son predominantemente de naturaleza covalente La teoria de HSAB aunque util es solo semi cuantitativa 28 La dureza de un ion metalico aumenta con el estado de oxidacion Un ejemplo de este efecto esta dado por el hecho de que el Fe 2 tiende a formar complejos mas fuertes con los ligandos N donantes que con los ligandos O donantes pero lo contrario es cierto para el Fe 3 Efecto del radio ionico Editar La serie Irving Williams se refiere al ion metalico divalente de giro alto octaedrico de la primera serie de transicion Coloca las estabilidades de los complejos en el orden Mn lt Fe lt Co lt Ni lt Cu gt ZnSe encontro que este orden se mantiene para una amplia variedad de ligandos 29 Hay tres lineas de la explicacion de la serie Se espera que el radio ionico disminuya regularmente para Mn2 a Zn2 Esta seria la tendencia periodica normal y explicaria el aumento general de la estabilidad La energia de estabilizacion del campo cristalino CFSE aumenta de cero para el manganeso II a un maximo en niquel II Esto hace que los complejos sean cada vez mas estables CFSE vuelve a cero para el zinc II Aunque el CFSE para el cobre II es menor que para el niquel II los complejos de cobre octaedrico II estan sujetos al efecto Jahn Teller lo que da como resultado un complejo con una estabilidad adicional Otro ejemplo del efecto del radio ionico es el aumento constante en la estabilidad de los complejos con un ligando dado a lo largo de la serie de iones lantanidos trivalentes un efecto de la bien conocida contraccion de los lantanidos Aplicaciones EditarLos valores constantes de estabilidad se explotan en una amplia variedad de aplicaciones La terapia de quelacion se utiliza en el tratamiento de diversas enfermedades relacionadas con el metal como la sobrecarga de hierro en pacientes con b talasemia que han recibido transfusiones de sangre El ligando ideal se une al ion metalico objetivo y no a otros pero este grado de selectividad es muy dificil de lograr La droga deferiprona sintetica logra selectividad al tener dos atomos donantes de oxigeno de modo que se une al Fe3 con preferencia a cualquiera de los otros iones divalentes que estan presentes en el cuerpo humano como Mg2 Ca 2 y Zn 2 El tratamiento del envenenamiento por iones como Pb 2 y Cd 2 es mucho mas dificil ya que estos son iones divalentes y la selectividad es mas dificil de lograr 30 El exceso de cobre en la enfermedad de Wilson puede eliminarse con penicilamina o trietilen tetramina TETA DTPA ha sido aprobado por la Administracion de Drogas y Alimentos de EE UU para el tratamiento del envenenamiento por plutonio El DTPA tambien se usa como agente complejante para el gadolinio en la mejora del contraste de MRI El requisito en este caso es que el complejo sea muy fuerte ya que Gd 3 es muy toxico La gran constante de estabilidad del ligando octadentado asegura que la concentracion de Gd 3 libre es casi insignificante ciertamente muy por debajo del umbral de toxicidad 31 Ademas el ligando ocupa solo 8 de los 9 sitios de coordinacion en el ion gadolinio El noveno sitio esta ocupado por una molecula de agua que se intercambia rapidamente con el fluido que lo rodea y es este mecanismo el que convierte el complejo paramagnetico en un reactivo de contraste El EDTA forma complejos tan fuertes con la mayoria de los cationes divalentes que encuentra muchos usos Por ejemplo a menudo esta presente en el detergente en polvo para actuar como ablandador de agua mediante el secuestro de iones de calcio y magnesio La selectividad de los ligandos macrociclicos se puede utilizar como base para la construccion de un electrodo selectivo de iones Por ejemplo existen electrodos selectivos de potasio que utilizan el antibiotico macrociclico natural valinomicina Deferiprona Penicilamina trietilentetramina TETA Acido etilendiaminotetraacetico EDTA Acido dietilentriaminopentaacetico DTPA Valinomicina Tri n butil fosfatoUna resina de intercambio ionico como el chelex 100 que contiene ligandos quelantes unidos a un polimero se puede usar en suavizadores de agua y en tecnicas de separacion cromatografica En la extraccion con solventes la formacion de complejos electricamente neutros permite que los cationes sean extraidos en solventes organicos Por ejemplo en nuclear de reprocesamiento de combustible de uranio VI y el plutonio VI se extraen en queroseno como los complejos MO 2 TBP 2 NO3 2 TBP tri n butil fosfato En la catalisis de transferencia de fase una sustancia que es insoluble en un disolvente organico puede hacerse soluble mediante la adicion de un ligando adecuado Por ejemplo las oxidaciones de permanganato de potasio se pueden lograr agregando una cantidad catalitica de un eter corona y una pequena cantidad de disolvente organico a la mezcla de reaccion acuosa de modo que la reaccion de oxidacion ocurra en la fase organica En todos estos ejemplos el ligando se elige en base a las constantes de estabilidad de los complejos formados Por ejemplo el TBP se usa en el reprocesamiento de combustible nuclear porque entre otras razones forma un complejo lo suficientemente fuerte como para que tenga lugar la extraccion con solvente pero lo suficientemente debil como para que el acido nitrico destruya el complejo para recuperar el cation uranilo como complejos nitrato como UO 2 NO 3 4 2 de nuevo en la fase acuosa Los complejos supramoleculares se mantienen unidos por enlaces de hidrogeno fuerzas hidrofobas fuerzas de van der Waals interacciones p p y efectos electrostaticos todos los cuales pueden describirse como enlaces no covalentes Las aplicaciones incluyen reconocimiento molecular quimica huesped huesped y sensores de aniones Una aplicacion tipica en reconocimiento molecular implicaba la determinacion de constantes de formacion para complejos formados entre una molecula de urea tripodal sustituida y varios sacaridos 32 El estudio se llevo a cabo utilizando un disolvente no acuoso y mediciones de desplazamiento quimico por RMN El objetivo era examinar la selectividad con respecto a los sacaridos Un ejemplo del uso de complejos supramoleculares en el desarrollo de quimiosensores es el uso de conjuntos de metales de transicion para detectar la ATP 33 La complejacion del anion se puede lograr encapsulando el anion en una jaula adecuada La selectividad se puede disenar disenando la forma de la jaula Por ejemplo los aniones de dicarboxilato podrian encapsularse en la cavidad elipsoidal en una gran estructura macrociclica que contiene dos iones metalicos 34 Metodos experimentales EditarArticulo principal Determinacion de constantes de equilibrio El metodo desarrollado por Bjerrum sigue siendo el principal metodo en uso hoy en dia aunque la precision de las mediciones ha aumentado considerablemente Mas comunmente una solucion que contiene el ion metalico y el ligando en un medio de alta fuerza ionica se acidifica primero hasta el punto donde el ligando esta completamente protonado Esta solucion luego se titula a menudo por medio de un auto titulador controlado por computadora con una solucion de base libre de CO2 La concentracion o actividad del ion de hidrogeno se controla mediante un electrodo de vidrio El conjunto de datos utilizado para el calculo tiene tres componentes una declaracion que define la naturaleza de las especies quimicas que estaran presentes llamado modelo del sistema detalles sobre las concentraciones de los reactivos utilizados en la titulacion y finalmente las mediciones experimentales en La forma de titulacion y los pares de pH o emf No siempre es posible utilizar un electrodo de vidrio Si ese es el caso la titulacion puede ser monitoreada por otros tipos de medicion Los espectros de absorbancia espectros de fluorescencia y espectros de RMN son las alternativas mas utilizadas La practica actual es tomar mediciones de absorbancia o fluorescencia en un rango de longitudes de onda y ajustar estos datos simultaneamente Tambien se pueden acoplar varios cambios quimicos de RMN El modelo quimico incluira valores de las constantes de protonacion del ligando que se habran determinado en experimentos separados un valor para log Kw y las estimaciones de las constantes de estabilidad desconocidos de los complejos formados Estas estimaciones son necesarias porque el calculo utiliza un algoritmo de minimos cuadrados no lineal Las estimaciones se obtienen generalmente por referencia a un sistema quimicamente similar Las bases de datos de constantes de estabilidad 8 9 pueden ser muy utiles para encontrar valores de constantes de estabilidad publicados para complejos relacionados En algunos casos simples los calculos se pueden hacer en una hoja de calculo 35 De lo contrario los calculos se realizan con la ayuda de programas informaticos de proposito general Los programas mas utilizados son Datos potenciometricos y o espectrofotometricos PSEQUAD 36 Datos potenciometricos HYPERQUAD 37 BEST 38 Datos espectrofotometricos HypSpec SQUAD 39 SPECFIT 40 41 ReactLab EQUILIBRIA enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima 42 Datos de RMN HypNMR 43 WINEQNMR2 44 En bioquimica las constantes de formacion de aductos se pueden obtener a partir de mediciones de calorimetria de titulacion isotermica ITC Esta tecnica produce tanto la constante de estabilidad como el cambio de entalpia estandar para el equilibrio 45 Esta mayormente limitado por disponibilidad de software a complejos de estequiometria 1 1 Datos evaluados criticamente EditarLas siguientes referencias son para revisiones criticas de constantes de estabilidad publicadas para varias clases de ligandos Todas estas revisiones son publicadas por IUPAC y el texto completo esta disponible sin cargo en formato pdf etilendiamina en 46 acido nitrilotriacetico NTA 47 acidos aminopolicarboxilicos complexonas 48 alfa hidroxiacidos y otros acidos hidroxicarboxilicos 49 50 eteres de corona 51 acidos fosfonicos 52 53 Imidazoles e histaminas 54 aminoacidos con cadenas laterales polares 55 nucleotidos 56 acetilacetona 57 general 58 Especiacion quimica de metales pesados ambientalmente significativos con ligandos inorganicos Parte 1 Los sistemas Hg 2 Cl OH CO2 3 SO2 4 y PO3 4 59 Especiacion quimica de metales ambientalmente significativas con ligandos inorganicos Parte 2 Los sistemas acuosos Cu2 OH Cl CO2 3 SO2 4 y PO3 4 PO3 4 60 Especiacion quimica de metales ambientalmente significativas con ligandos inorganicos Parte 3 Los sistemas Pb 2 OH Cl CO2 3 lt br gt CO2 3 SO2 4 y PO3 4 61 Especiacion quimica de metales ambientalmente significativos con ligandos inorganicos Parte 4 Los sistemas Cd 2 OH Cl CO2 3 lt br gt CO2 3 SO2 4 y PO3 4 62 Bases de datos EditarLa base de datos Ki es una base de datos de dominio publico de afinidades de union Ki publicadas de farmacos y compuestos quimicos para receptores transportadores de neurotransmisores canales ionicos y enzimas BindingDB es una base de datos de dominio publico de afinidades de union medidas que se centra principalmente en las interacciones de proteinas consideradas dianas de farmacos con moleculas pequenas similares a farmacos Referencias Editar Bjerrum J 1941 Metal ammine formation in aqueous solution Copenhagen Haase Beck M T Nagypal I 1990 Chapter 1 Chemistry of Complex 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K O Skilandat Miriam Sigel Astrid Operschall Bert P Sigel Helmut 2013 Chapter 8 Complex formation of cadmium with sugar residues nucleobases phosphates nucleotides and nucleic acids En Sigel Astrid ed Cadmium From Toxicology to Essentiality 11 Springer pp 191 274 doi 10 1007 978 94 007 5179 8 8 Sovago Imre Varnagy Katalin 2013 Chapter 9 Cadmium II complexes of amino acids and peptides En Sigel Astrid ed Cadmium From Toxicology to Essentiality 11 Springer pp 275 302 doi 10 1007 978 94 007 5179 8 9 Yatsimirsky Konstantin Borisovich Vasilyev Vladimir Pavlovich 1960 Instability Constants of Complex Compounds OUP Enlaces externos EditarSitio web de constantes de estabilidad contiene informacion sobre programas informaticos aplicaciones bases de datos y hardware para titulaciones experimentales Datos Q4551818 Obtenido de https es wikipedia org w index php title Constantes de estabilidad de complejos amp oldid 143029836, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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